调节阀的选型探讨

调节阀的选型探讨调节阀的选型探讨 郑天科 关键词 关键词 调节阀 选型 流量系数 结构特性 流量特性 概述概述 人们常把测量仪表称之为生产过程自动化的 眼睛 把控制器称之为 大脑 把执行器 称之为 手脚 调节阀是自动化生产过程中最常见的一种执行器 调节阀直接与工艺流体 接触并控制流体的压力 流量及其他介质的温度等 正确选取调节阀的结构型式 流量特 性 流通能力 以及执行机构的输出力矩或推力与行程 对于自动控制系统的稳定性 经 济性起着十分重要的作用 如果计算错误 选择不当 将影响控制系统的性能 甚至无法 实现自动控制 控制系统中因为调节阀选取不当 使得自动控制系统产生震荡不能正常运 行的事例很多 因此 在自动控制系统的设计过程中 调节阀的选型计算是必须仔细考虑 认真设计的重要环节 一 调节阀的结构型式及其选择一 调节阀的结构型式及其选择 随着生产技术的发展 调节阀结构型式也得到了发展 以适应不同工艺流程与不同工 艺介质的特殊要求 按照调节阀结构型式的不同 逐步发展产生了单座调节阀 双座调节 阀 角型阀 套筒调节阀 笼型阀 三通分流阀 三通合流阀 隔膜调节阀 波纹管阀 O 型球阀 V 型球阀 偏心旋转阀 凸轮绕曲阀 普通蝶阀 多偏心蝶阀等等 常用的调 节阀有座式阀和蝶阀两类 怎样选择调节阀的结构型式 主要是根据工艺参数 温度 压力 流量 介质性质 粘度 腐蚀性 毒性 杂质状况 以及调节系统的要求 可调比 噪音 泄漏量 来综 合考虑确定 一般情况下 应首选普通单 双座调节阀和套筒调节阀 此类阀结构简单 阀芯形状易于加工 比较经济 如果此类阀不能满足工艺的综合要求 可根据具体的特殊 要求选择相应结构型式的调节阀 现将各种型式调节阀的特点及适用场合介绍如下 1 单座调节阀 VP JP 泄漏量小 额定 Kv值的 0 01 允许压差小 JP 型 阀并且有体积小 重量轻等特点 适用于一般流体 压差小 要求泄漏量小的场合 2 双座调节阀 VN 不平衡力小 允许压差大 流量系数大 泄漏量大 额定 K 值的 0 1 适用于要求流通能力大 压差大 对泄漏量要求不严格的场合 3 套简阀 VM JM 稳定性好 允许压差大 容易更换 维修阀内部件 通用 性强 更换套筒阀即可改变流通能力和流量特性 适用于压差大要求工作平稳 噪音低的 场合 4 角形阀 VS 流路简单 便于自洁和清洗 受高速流体冲蚀较小 适用于高 粘度 含颗粒等物质及闪蒸 汽蚀的介质 特别适用于直角连接的场合 5 偏心旋转阀 VZ 体积小 密封性好 泄漏量小 流通能力大 可调比宽 R 100 允许压差大 适用于要求调节范围宽 流通能力大 稳定性好的场合 6 V 型球阀 VV 流通能力大 可调比宽 R 200 300 流量特性近似等百分比 v 型口与阀座有剪切作用 适应用于纸浆 污水和含纤维 颗粒物的介质的控制 7 O 型球阀 VO 结构紧凑 重量轻 流通能力大 密封性好 泄漏量近似零 调节范围宽 R 100 200 流量特性为快开 适用于纸浆 污水和高粘度 含纤维 颗粒物 的介质 要求严密切断的场合 8 隔膜调节阀 VT 流路简单 阻力小 采用耐腐蚀衬里和隔膜有很好的防腐 性能 流量特性近似为快开 适用于常温 低压 高粘度 带悬浮颗粒的介质 9 蝶阀 VW 结构简单 体积小 重量轻 易于制成大口径 流路畅通 有自 洁作用 流量特性近似等百分比 适用于大口径 大流量含悬浮颗粒的流体控制 二 调节阀的流量特性及其选择调节阀的流量特性及其选择 调节阀流量特性分固有特性和工作特性两种 固有特性又称调节阀的结构特性 是由 生产厂制造时决定的 调节阀在管路中工作 管路系统阻力分配情况随流量变化 调节阀 的前后差压也发生变化 这样就产生了调节阀的工作特性 2 1 结构特性结构特性 调节阀是通过行程的变化 改变阀芯与阀座间的节流面积 来达到控制流量的目的 因此阀芯与阀座的节流面积跟着行程怎么样变化 对调节阀的工作特性能有很大影响 通 常把调节阀的相对节流面积与阀门的相对开度之间的关系称为调节阀的结构特性 所谓阀 门的相对开度是指调节阀某一开度行程与全开行程之比 角行程与直行程道理相同 用 l L Lmax来表示 所谓阀门的相对节流面积是指调节阀某一开度下的节流面积与全开时的 节流面积之比 用 f F Fmax来表示 调节阀结构特性的数学表达式为 f l 2 1 上式的函数关系取决于阀芯及相关阀门组件的形状和结构 不同的结构就形成了以下几 种典型的结构特性 直线结构特性 直线结构特性 阀门的相对节流面积与相对开度成直线关系 即 df dl c 2 2 式 中 c 为常数 等百分比结构特性 等百分比结构特性 阀门的相对节面积随行程的变化率与此点的节流成正比关系 即 df dl cf 2 3 快开结构特性 快开结构特性 阀门的节流面积随行程变化 很快达到最大 饱和 此阀适用于迅快 速开闭 抛物线结构特性 抛物线结构特性 阀门的相对节流面积与相对开度成抛物线关系 即 2 4 2 2 工作流量特性工作流量特性 调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系相对流 量用 q Q Qmax来表示 调节阀的流量特性的数学表示式为 q l 2 5 一般来讲 改变调节阀的节流面积 便可控制流量 但实际上由于各种因素的影响 如在节流面积变化的同时会发生调节阀前后压差的变化 而压差 Pv 的变化会引起流量的 变化 为了分析问题方便 先假定调节阀前后的压差是固定的 2 2 1 理想流量特性理想流量特性 在调节阀前后压差一定的情况下 Pv 常数 得到的流量特性 称为理想流量特性 假设调节阀各开度下的流通能力与节流面积成线性关系 即 Ci Cf 2 6 式中 C 阀 全开时的流通能力 Ci 阀在某一开度下的流通能力 f 相对节流面积 由流体力学得知 伯努利方程可以推导出调节阀流量方程为 2 7 2 7 式中 F 调节阀节流面积 调节阀阻力系数 随开度变化 g 重力加速度 r 流体重度 P1 P2 调节阀前 阀后压力 调节阀的流量方程也可以简化写为 2 8 当 f 1 时 Q Qmax则可得到 2 9 考虑到 P 为常数 将式 2 8 和 2 9 相比即得 q f 2 10 综上可知 当阀门在各开度下的流通能力 C 与节流面积 F 成线性关系时 即假定阀前 后压差固定 P 为常数时 调节阀的理想流量特性与调节阀的结构特性完全相同 这样 一来 调节阀的理想流量特性 也就有直线 等百分比 快开 抛物线等 4 种形式 2 2 2 实际工作流量特性实际工作流量特性 在调节阀前后压差变化的情况下 得到的流量特性 称为工作流量特性 在实际的工 艺装置中 调节阀安装在工艺管道系统中 由于除调节阀以外的管道 装置 设备等存在 阻力 并且该阻力损失随通过管道的流量成平方关系变化 因此 当系统两端压差 P 一 定时 调节阀上的压差 Pv就会随着流量的增加而减小 这个压差的变化也会引起通过调 节阀的流量发生变化 因此这时调节阀的理想流量特性就会产生畸变 从而变为工作特性 管道系统的总压差 Ps是管道系统 除调节阀外的阀门 设备和管道 的压差与调节 阀前后压差之和 图 1 即 Ps PV P1 2 11 Pvm是最大流量时调节阀前后的压差 Pim 是最大流量时管路系统的压差 令 2 12 这就是工艺管 道系统的阻损比 S 也就是调节阀全开时 阀上的压降 Pv 与管路系统各局部阻力件之和 Pim加阀上的压降 Pv 两者之间的比 如果工艺管道系统的阻力损失全部由调节阀决定 即管道设备阻力等于零时 Pv Ps 此时的系统阻损比 S 1 则调节阀前后压差就是管道系统的总压降 Ps 此 时调节阀工作特性就成为理想特性 由于实际上 S 1 因此工作特性中 Q 和 Q100都将相 对减小 Q 管道中的流量 Q100 调节阀 100 开度时流量 随着调节阀开度的增加 管道系统的 流量也随之增加 则管道系统的压降 Pi从最小 近似等于零 逐步增大到 Pim 这样一 来 随着调节阀开度的增加 调节阀前后压差 Pv将由于 Pi的增加而减少 因此实际上 管道系统的最大流量 Q100必然小于理想情况 S 1 时的最大流量 Qmax也就使得直线和 等百分比两种调节阀的特性曲线都随 S 的减小而下垂 对于一个流量调节阀的管道系统 阻损比 S 值 又称压降比 越大 则说明调节阀的 压降占整个系统比重越大 调节阀控流能力越大 如果 S 1 0 则 Pv Ps是不变的 则调节阀工作特性就是理想特性 反之 S 值越小 则说明调节阀的压降占整个系统的比重 越小 也就是调节阀的控制能力越差 也就是当流量增加时 调节阀前后压降逐步减少 因此调节阀的节流面积虽然增大了但由于 Pv减小 流量并没有按理想特性增大 而使流 量增大速率变缓 随着 S 值的减小 即管道阻力增加 则带来两个不利的后果 一是调节 阀的流量特性发生越来越大的畸变 直线特性渐渐趋于快开特性 等百分比特性渐渐趋于 直线特性 这样一来使小开度时放大系数增加 大开度时放大系数减小 造成小开度时控 制不稳定和大开度时控制迟钝 因此在实际使用中 通常要求 S 值不低于 0 3 0 5 二是 调节阀的可调节阀的可调范围随之减小 实际可调比 R 随 S 减小而减小 2 13 式中 R 调节阀的固有可调比 R 调节阀的实际可调比 2 3 流量特性的选择流量特性的选择 直线结构特性调节阀的特性曲线的斜率在全行程是一个定值以相对行程 L 等于 10 50 80 三点为例 当行程变化 10 时 所引起节流面积变化总是 10 我们再 看它的节流面积相对变化值分别为 由此可见 直线结构特性在变化相同行程情况下 阀门开度小时 节流面积相对变化 值大 阀门开度大时 节流面积相对变化值小 这个特点 往住使直线结构特性阀门在小 开度情况下的灵敏度过高而导致控制性能变坏 再看等百分比结构特性的调节阀 其特性曲线的斜率是随行程的增大而递增的 以同样 的相对行程等于 10 50 80 三点为例 当行程变化成 10 假设 R 30 所引起 的节流面积变化分别是 1 91 7 3 和 20 4 因此这种阀在接近关闭时工作得缓和平稳 而在接进全开启状态时工作的灵敏有效 同样再看它的节流面积相对变化率分别为 由此可见行程变化成 10 时 所引起节流面积变化的相对值总是 40 具有等比率特性 等百分比结构特性即由此得名 实际市场上调节阀 有直线 等百分比和快开三种基本特性 对于快开特性 一般用 于两位式调节和开关控制 对于调节系统选择调节阀特性 则指的是如何选择直线和等百 分比特性在设计选用中主要依据以下两个原则 1 从控制系统的控制品质出发 选择阀的工作特性 理想的控制回路 希望它的总放大系数在控制系统的整个操作范围内保持不变 但在 实际生产过程中控制对象的特性往往是非线性的 它的放大系数要随其外部条件而变化 因此 适当选择调节阀特性 以调节阀的放大系数变化来补偿对象放大系数的变化 可将 系统的总放大系数整定不变 从而保证控制质量在整个操作范围内保持一定 若控制对象 为线性时 调节阀可以采用直线工作特性 但许多的控制对象 其放大系数随负荷加大而 趋小 假如我们选用放大系数随负荷加大而趋大的调节阀 正好补偿 等百分比特性阀具 有这种性能 因此它得到广泛应用 2 从配管情况出发 根据调节阀的希望工作特性选择阀的结构特性 必须说明 按第一原则选出的是调节阀的工作流量特性 由于调节阀的管道系统各不相 同 S 值的大小直接引起阀的工作流量特性偏离其结构特性而发生畸变 因此 当我们根 据已定的希望工作特性来选取调节阀的结构特性时 就必须考虑配管情况 S 值大时 调 节阀的工作特性畸变小 反之 S 值小 调节阀的工作特性畸变大 考虑配管情况可以参考 表 1 进行选择 表 1 阀的结构特性选择 调节阀与系统压降比 S1 0 60 6 0 3 0 3 调节阀的工作流量特性快开直线等百分比快开直线等百分比控制不适宜 调节阀的结构特性快开直线等百分比直线等百分比等百分比控制不适宜 选择阀的结构特性与 S 值很有关系 S 值大则工作特性畸变小 对控制有利 但是 S 值大说明调节阀的压力损失大 这样不经济 因此必须综合考虑 工程设中普遍认为压降 比 S 为 0 3 0 6 是比较合适的 三 调节阀口径的计算与选择三 调节阀口径的计算与选择 4 1 调节阀口径的选择步骤调节阀口径的选择步骤 已知具体工艺生产流程后 确定调节阀的控制对象和使用条件 按调节阀选型原则选定 阀的种类型号和结构特性以后 就可以进行下一步选择调节阀的口径 调节阀口径的选择 步骤如下 1 根据工艺的生产能力设备负荷 确定计算调节阀流通能力的最大流量 常用流量 最小流量 计算压差等参数 2 根据被控介质及其工作条件选用计算公式 确定流体介质密度 温度 粘度等已 知条件并换算到工作状态下 然后代入公式计算出流通能力 Kv 而后按阀的流通能力应大 于计算流通能力的原则 查阅生产厂提供的资料 选取调节阀的口径 3 根据需要验算开度或开度范围 可调比 R 等 4 计算结果若满意 则调节阀口径选定工作完毕 否则重新计算 验算 调节阀的 流通能力 是指调节阀上的压头损失一个单位时 流体通过调节阀的能力 阀门的流通能 力也称流量系数 Kv ICE 规定 温度为 5 至 40 的水 在 105P 压降下 调节阀全开 1 小时内流过调节阀的立方米数 3 2 确定计算流量确定计算流量 调节阀口径计算的流量 应是系统工作的最大流量 Qmax 也就是调节阀最大开度时的 流量 Q100 该值是由工艺设计人根据设备的生产能力 物料平衡 控制对象的极限负荷变 化 以及预测的可能扩大的生产能力与操作条件变化等因素 综合考虑后确定的 通常 取正常操作流量的 1 3 1 5 倍作为计算的最大流量较为合适 过大 势必使阀径 选择过大 这将使得调节阀经常处于小开度工作状态 可调节范围显著减小 动作频繁 阀的调节特性变环 严重时则影响调节系统的稳定性和阀的寿命 过小则形成瓶径 不能 满足生产上对流量的需要 设计中若需考虑富余量时 阀径可以选得稍大一点 但在近期时应使阀的开度不小于 40 60 对分期建成的工程 建议不能用最终规模的流量作为计算流量 因此 在设 计中应积极协助工艺合理确定计算流量 为正确计算 合理选定阀径创造条件 据调查 设计中选定的阀径 偏大的情况占多数 由此造成调节系统不稳定甚至失灵的后果履见不 鲜 设计者应该反复推敲 合理确定计算流量 这一点很重要 3 3 确定计算差压确定计算差压 进行调节阀口径计算时要确定最大流量时阀前压力 P1和阀后压力 P2 这样 P1 P2 P 就是计算差压 P 这个参数选定直接影响计算结果 工艺专业往往未经深思熟虑就给出 P1和 P2 当然 这也是一个较难确定的参数 在设计时应该积极配合工艺专业 合理确定 计算差压 阀前后压差选定极大地影响调节阀的工作特性 调节阀的工作特性实际上取决 于调节阀的压降与管路系统总阻力损失之比 S 这个比值 S 越大 阀的特性就越接近 F 理 想 但是 S 值过大时将会使阀上阻损过大 增加能量的损耗 因此 确定调节阀压降是十 分重要的 压降 Pv的选定方法 根据不同的已知条件有多种 现介绍常用的几种方法如 下 1 按管路系统的阻损比来确定 按管路系统的阻损比来确定 Pv 所谓阻损比 S 就是在调节阀全开时 阀上的压降 Pv与管路系统各局部阻力件压降 之和 P1加阀的压降 Pv的总和的比 S 管路系统的局部阻力件包括管段 弯头 三通 手 动阀门 节流装置等等 Pv的数学表达式 3 1 P1一般由工艺专业提供 也可以按下式求得 3 2 式中 为阻力系数 可查阅管道专业的阻力系数图表 v 为流 速 m s 为流体密度 g m3 P1为阻力损失 kPa S 值的大小与调节阀的工作特性有密切关系 当 S 1 时系统总阻损几乎全部集中到阀 上 随着 S 值的减小 不仅阀在全开时流量减少 而且流量特性也发生变化 可参考表 1 因此 般工程设计中 不希望 S 0 3 常用范围 S 0 3 0 7 最好在 0 5 左右 对 于密闭容器有静压波动的场台 考虑到系统背压波动会直接影响阀上压降的变化 使 S 进 一步减小 如锅炉给水自动调节系统 在计算压降 Pv时 还得增加 5 10 的系统背压 即 3 3 2 按定压点的压差选取阀的压降 按定压点的压差选取阀的压降 在初步设计时 由于工艺管路尚未具体确定 这时局部阻力形式还不知道 按上述公 式 3 1 计算是有困难的 但阀前后的定压点一般是可以确定的 设 P1为阀前定压点压力 P2为阀后定压点的压力 则 Pv S P1 P2 3 4 3 对于放空调节阀压降的选取 对于放空调节阀压降的选取 对于气体管道中的放空调节阀 在正常情况下 放空是全闭的 阀前的压力为 P1 它 与管网的压力一样 阀后的压力 P2是大气压 但阀全开后 阀后的压力 P2